复杂规律数字控制器的设计.doc

实验三 复杂规律数字控制器的设计-DALIN 算法用于温度控制实验一、实验目的：1理解具有纯滞后的温度控制系统的数学模型和工作特点；2理解DALIN （大林）算法工作原理并掌握控制器参数对系统性能的影响；3能够运用MATLAB/Simulink 软件对控制系统进行正确建模并对模块进行正确的参数设置；4掌握计算机控制仿真结果的分析方法。二、实验工具：MATLAB 软件（6.1 以上版本）。三、实验内容：1实验原理图1 单回路温度控制系统图1 中：D(z)为数字调节器传递函数；A/D环节近似为一采样开关；H0(s)为D/A 环节传递函数，采用零阶保持器；G0(s)为温度被控对象函数，次环节可近似认为是一个纯滞后一阶惯性环节，所以系统是一个具有零阶保持器的单变量调节系统。根据大林算法的控制原理，将期望的闭环响应设计成一阶惯性加纯迟延，然后反过来得到能满足这种闭环响应的控制器。设图1所示单回路温度控制系统中，G0(s)为被控对象，D(z)为大林控制器，闭环控制系统传递函数为则有：由此我们可以知道，如果能事先设定系统的闭环相应，则可得控制D(z)。2实验设计假定被控对象为：采样时间为0.5s ，期望的系统闭环传递函数为：，其中0.15s 为校正后闭环系统的时间常数。为便于比较，运用MATLAB软件使用大林算法及PID（KP=1.0,KI=0.50, KD=0.10）算法分别对一阶惯性纯滞后温度系统进行控制，并分析两种算法的优缺点。四、实验步骤：运用MATLAB 软件使用大林算法及PID算法分别对温度控制系统进行控制，并且分析各自的优缺点。MATLAB 程序设计具体步骤如下，预习报告中给出各个步骤中的程序注释，要求同学自己填写具体程序，做好实验前的准备工作。1被控对象离散化：%利用大林算法设计控制器%被控对象离散化，得den1 =1.0000 -0.2865 0，num1 = 0 0.4512 0.2623 2期望闭环系统离散化：%整个闭环离散化3设计DALIN 控制算法：%由公式，设计大林控制器，得den = 0 0.4512 0.2301 -0.3782 -0.2712 -0.0335 0.0016 0， num = 0.7981 -0.0909 -0.0454 0.0017 0 0 0 0 %为各个状态变量设初值%设置循环次数%输入阶跃信号%由den1，num1 的值与公式，经计算可推出yuot(k)的表达式4与普通PID 控制进行比较：%使用大林算法，由den 和num 的值与公式,经计算推出u(k)的表达式%返回大林算法中的参数%绘制阶跃响应曲线图%使用普通PID 算法，位置式数字PID 控制算法公式并取KP=1.0,KI=0.50,KD=0.10% 返回PID算法中的参数% 绘制阶跃响应曲线图五、实验结果及分析：1采用大林控制算法，画出阶跃响应曲线。2. 采用普通PID控制算法，画出阶跃响应曲线。3分析采用大林控制算法与PID 控制算法相比较的控制效果。六、参考波形：图2 实验参考波形%大林算法与PID算法比较研究%大林算法clcclearts=0.5;G=tf(1,0.4 1,inputdelay,0.76);%被控对象传递函数dsys1=c2d(G,ts,z);%广义被控对象脉冲传递函数num1,den1=tfdata(dsys1,v);%期望闭环传递函数sys2=tf(1,0.15 1,inputdelay,0.76)dsys2=c2d(sys2,ts,z);%期望闭环脉冲传递函数dsys=1/dsys1*dsys2/(1-dsys2);%大林算法控制器脉冲传递函数num,den=tfdata(dsys,v);u1=0.0;u2=0.0;u3=0.0;u4=0;u5=0;y1=0;error1=0;error2=0;error3=0;for k=1:1:50 time(k)=k*ts; rin(k)=1.0; yout(k)=-den1(2)*y1+num1(2)*u2+num1(3)*u3;%被控对象输出 error(k)=rin(k)-yout(k); u(k)=(num(1)*error(k)+num(2)*error1+num(3)*error2+num(4)*error3.%控制器输出 -den(3)*u1-den(4)*u2-den(5)*u3-den(6)*u4-den(7)*u5)/den(2); u5=u4;u4=u3;u3=u2;u2=u1;u1=u(k); y1=yout(k); error3=error2;error2=error1;error1=error(k);endsubplot(2,1,1);plot(time,rin,b,time,yout,r);xlabel(time(s);ylabel(rin,yout);title(DALIN method);grid on%#PID控制器输出#u1=0.0;u2=0.0;u3=0.0;u4=0;u5=0;y1=0;error1=0;error2=0;error3=0;ei=0;for k=1:1:50 time(k)=k*ts; rin(k)=1.0; yout(k)=-den1(2)*y1+num1(2)*u2+num1(3)*u3; error(k)=rin(k)-yout(k); ei=ei+error(k)*ts; u(k)=1.0*error(k)+0.1*(error(k)-error1)/ts+0.50*ei;%PID控制器输出 y1=yout(k); error3=error2;error2=error1;error1=error(k); u3=u2;u2=u1;u1=u(k); y1=yout(k); error3=error2;error2=e